Thiết bị có kích thước bằng cửa sổ của MIT có thể lấy nước uống từ không khí, ngay cả ở sa mạc
Tác giả: Jennifer Chu, Viện Công nghệ Massachusetts
Một máy thu hoạch nước thụ động mới do các kỹ sư MIT phát triển có thể thu hoạch nước từ không khí. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng thiết bị này có thể thu thập nước ngay cả trong môi trường khô hạn như Thung lũng Chết, như hình ảnh ở đây. Tín dụng: Shucong Li, Chang “Will” Liu và Xiao‑Yun Yan (MIT)
Các kỹ sư MIT đã tạo ra một máy thu hoạch nước trong khí quyển có thể tạo ra nước ngọt ở bất kỳ địa điểm nào, bao gồm cả những môi trường khắc nghiệt như Thung lũng Chết, California.
Ngày nay, 2,2 tỷ người trên thế giới không có nước uống an toàn. Tại Hoa Kỳ, hơn 46 triệu người phải đối mặt với tình trạng mất an ninh nguồn nước, sống mà không có nước máy hoặc phụ thuộc vào nguồn cung cấp không an toàn để uống. Khi nhu cầu về nước sạch tăng cao, các nguồn nước truyền thống như sông, hồ và hồ chứa đang bị đẩy đến giới hạn.
Để giúp giải quyết thách thức này, các kỹ sư MIT đang khám phá một nguồn thay thế: không khí. Bầu khí quyển của Trái đất chứa hàng nghìn tỷ gallon nước dưới dạng hơi nước. Nếu hơi nước này có thể được thu giữ và ngưng tụ hiệu quả, nó có thể cung cấp nước uống sạch ở những khu vực không có nguồn cung cấp truyền thống.
Để hướng tới mục tiêu đó, nhóm MIT đã phát triển và thử nghiệm một máy thu nước trong khí quyển mới có thể thu giữ hơi nước thành công và tạo ra nước uống an toàn trong nhiều mức độ ẩm khác nhau, bao gồm cả không khí sa mạc cực kỳ khô.
Thiết bị này là một tấm chắn màu đen, thẳng đứng có kích thước bằng một cửa sổ. Nó được làm bằng hydrogel hấp thụ nước và được bao bọc trong một buồng thủy tinh phủ vật liệu làm mát. Hydrogel trông giống như màng bọc bong bóng màu đen, có hình dạng giống như mái vòm nhỏ phồng lên khi chúng hấp thụ hơi nước. Khi hơi nước bốc hơi, các mái vòm co lại theo chuyển động giống như nghệ thuật gấp giấy origami. Hơi nước ngưng tụ trên bề mặt kính và chảy qua một ống dưới dạng nước sạch, có thể uống được.
Cận cảnh một vật liệu hydrogel mới lấy cảm hứng từ nghệ thuật gấp giấy origami, do các kỹ sư MIT thiết kế, có khả năng phồng lên để hấp thụ nước từ không khí. Khi nước ngưng tụ ra khỏi vật liệu cần thu thập, các quả cầu hydrogel riêng lẻ sẽ co lại để thu được nhiều độ ẩm hơn. Nguồn: Shucong Li, Chang “Will” Liu và Xiao‑Yun Yan (MIT)
Không giống như các hệ thống khác dựa vào pin, tấm pin mặt trời hoặc điện, thiết bị này hoạt động hoàn toàn độc lập. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm nó trong hơn một tuần tại Thung lũng Chết, California—khu vực khô hạn nhất ở Bắc Mỹ. Ngay cả trong điều kiện độ ẩm thấp, nó vẫn tạo ra tới 160 mililít nước uống mỗi ngày, tương đương khoảng hai phần ba cốc.
Nhóm nghiên cứu ước tính rằng nhiều tấm pin thẳng đứng, được lắp đặt trong một mảng nhỏ, có thể cung cấp nước uống thụ động cho một hộ gia đình, ngay cả trong môi trường sa mạc khô cằn. Hơn nữa, sản lượng nước của hệ thống sẽ tăng theo độ ẩm, cung cấp nước uống ở vùng khí hậu ôn đới và nhiệt đới.
“Chúng tôi đã chế tạo một thiết bị có kích thước bằng mét mà chúng tôi hy vọng sẽ triển khai ở những vùng hạn chế về tài nguyên, nơi mà ngay cả pin mặt trời cũng không dễ tiếp cận”, Xuanhe Zhao, Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường tại MIT, cho biết. “Đây là bài kiểm tra tính khả thi trong việc mở rộng quy mô công nghệ thu thập nước này. Giờ đây, mọi người có thể xây dựng nó lớn hơn nữa hoặc biến nó thành các tấm pin song song để cung cấp nước uống cho mọi người và tạo ra tác động thực sự”.
Zhao và các đồng nghiệp trình bày chi tiết về thiết kế thu thập nước mới trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Water. Tác giả chính của nghiên cứu là cựu tiến sĩ sau tiến sĩ của MIT “Will” Chang Liu, hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS). Các đồng tác giả của MIT bao gồm Xiao-Yun Yan, Shucong Li và Bolei Deng, cùng với các cộng sự từ nhiều tổ chức khác.
Khả năng chịu tải
Hydrogel là vật liệu mềm, xốp, chủ yếu được tạo thành từ nước và một mạng lưới các sợi polyme kết nối cực nhỏ. Nhóm của Zhao tại MIT chủ yếu khám phá việc sử dụng hydrogel trong các ứng dụng y sinh, bao gồm lớp phủ dính cho cấy ghép y tế, điện cực mềm và linh hoạt, và miếng dán hình ảnh không xâm lấn.
"Thông qua công việc của chúng tôi với các vật liệu mềm, một đặc tính mà chúng tôi biết rất rõ là hydrogel rất giỏi trong việc hấp thụ nước từ không khí", Zhao nói.
Các thành viên trong nhóm (từ trái sang phải), Shucong Li, "Will" Chang Liu và Xiao-Yun Yan, với hai máy thu nước. Tín dụng: Viện Công nghệ Massachusetts
Các nhà nghiên cứu đang khám phá một số cách để thu hơi nước để làm nước uống. Trong số những cách hiệu quả nhất cho đến nay là các thiết bị được làm từ khung kim loại hữu cơ, hay MOF - vật liệu siêu xốp cũng đã được chứng minh là có thể thu nước từ không khí khô ở sa mạc. Nhưng MOF không phồng lên hoặc giãn ra khi hấp thụ nước và có khả năng mang hơi hạn chế.
Nước từ không khí
Máy thu nước dựa trên hydrogel mới của nhóm giải quyết một vấn đề quan trọng khác trong các thiết kế tương tự. Các nhóm khác đã thiết kế máy thu nước từ hydrogel có lỗ xốp siêu nhỏ hoặc nano.
Nhưng nước được tạo ra từ những thiết kế này có thể có vị mặn, đòi hỏi phải lọc thêm. Muối là vật liệu hấp thụ tự nhiên và các nhà nghiên cứu nhúng muối — thường là lithium chloride — vào hydrogel để tăng khả năng hấp thụ nước của vật liệu. Tuy nhiên, nhược điểm là muối này có thể rò rỉ ra ngoài cùng với nước khi cuối cùng được thu thập.
Thiết kế mới của nhóm hạn chế đáng kể tình trạng rò rỉ muối. Trong chính hydrogel, họ đã đưa vào một thành phần bổ sung: glycerol, một hợp chất lỏng có tác dụng ổn định muối tự nhiên, giữ muối trong gel thay vì để muối kết tinh và rò rỉ ra ngoài cùng với nước. Bản thân hydrogel có cấu trúc vi mô không có lỗ rỗng ở kích thước nano, giúp ngăn muối thoát ra khỏi vật liệu. Nồng độ muối trong nước mà họ thu thập được thấp hơn ngưỡng tiêu chuẩn đối với nước uống an toàn và thấp hơn đáng kể so với nồng độ do nhiều thiết kế dựa trên hydrogel khác tạo ra.
Ngoài việc điều chỉnh thành phần của hydrogel, các nhà nghiên cứu đã cải thiện hình dạng của nó. Thay vì giữ gel như một tấm phẳng, họ đúc nó thành một mô hình gồm các mái vòm nhỏ giống như màng bọc bong bóng, có tác dụng tăng diện tích bề mặt của gel, cùng với lượng hơi nước mà nó có thể hấp thụ.
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một nửa mét vuông hydrogel và bọc vật liệu trong một buồng kính giống như cửa sổ. Họ phủ bên ngoài buồng bằng một lớp màng polyme đặc biệt, giúp làm mát kính và kích thích bất kỳ hơi nước nào trong hydrogel bốc hơi và ngưng tụ trên kính. Họ đã lắp đặt một hệ thống ống đơn giản để thu thập nước khi nó chảy xuống kính.
Vào tháng 11 năm 2023, nhóm đã đến Thung lũng Chết, California và thiết lập thiết bị như một tấm chắn thẳng đứng. Trong bảy ngày, họ đã thực hiện các phép đo khi hydrogel hấp thụ hơi nước vào ban đêm (thời điểm trong ngày mà hơi nước ở sa mạc cao nhất). Vào ban ngày, với sự trợ giúp của mặt trời, nước thu được sẽ bốc hơi ra khỏi hydrogel và ngưng tụ trên kính.
Trong suốt thời gian này, thiết bị hoạt động trong nhiều điều kiện độ ẩm khác nhau, từ 21 đến 88 phần trăm và tạo ra từ 57 đến 161,5 mililít nước uống mỗi ngày. Ngay cả trong điều kiện khô hạn nhất, thiết bị vẫn thu được nhiều nước hơn so với các thiết kế thụ động khác và một số thiết kế chủ động khác.
Liu cho biết: "Đây chỉ là thiết kế thử nghiệm khái niệm và chúng tôi có thể tối ưu hóa rất nhiều thứ". "Ví dụ, chúng tôi có thể có thiết kế nhiều tấm pin. Và chúng tôi đang nghiên cứu thế hệ vật liệu tiếp theo để cải thiện thêm các đặc tính vốn có của nó".
Zhao, người có kế hoạch thử nghiệm thêm các tấm pin này ở nhiều khu vực có nguồn tài nguyên hạn chế, cho biết: "Chúng tôi hình dung rằng một ngày nào đó bạn có thể triển khai một loạt các tấm pin này và diện tích sử dụng rất nhỏ vì tất cả đều theo chiều dọc". "Sau đó, bạn có thể lắp nhiều tấm pin lại với nhau, thu thập nước mọi lúc, ở quy mô hộ gia đình".
Tài liệu tham khảo: “Tấm hydrogel origami thẳng đứng kích thước mét để thu hoạch nước trong khí quyển ở Thung lũng Chết” của Chang Liu, Xiao-Yun Yan, Shucong Li, Hongshi Zhang, Bolei Deng, Nicholas X. Fang, Youssef Habibi, Shih-Chi Chen và Xuanhe Zhao, ngày 11 tháng 6 năm 2025, Nature Water.
DOI: 10.1038/s44221-025-00447-2
Công trình này được hỗ trợ một phần bởi Khoản tài trợ hạt giống thực phẩm và nước J-WAFS của MIT, chương trình nghiên cứu hợp tác giữa MIT và Đại học Trung Quốc tại Hồng Kông và chương trình nghiên cứu hợp tác UM6P-MIT.
